CN106899142A - 一种直线电机直驱海浪发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直线电机直驱海浪发电系统，该系统包括机械能量提取模块、直线发电机组模块和电能后处理模块；所述机械能量提取模块由海浪带动浮筒运动，浮筒通过三根联杆与直线电机动子铁芯相连；所述直线发电机组模块通过第二从动杆连接的铰链带动直线电机动子铁芯上下垂直运动，电机内部永磁体发出的磁力线经过的路径随之发生变化，使得通过电机外定子槽内各个铜线圈的磁通量不断变化，产生并输出三相近似正弦的频率和幅值不断变化的反电势波形；再经过电能后处理模块进行整流、滤波、储能、逆变，最后输出频率幅值固定的可用三相交流电，用于近海岸地区电能供应或进行并网处理。

Description

一种直线电机直驱海浪发电系统
技术领域
本发明属于海浪发电领域，尤其涉及一种直线电机直驱海浪发电系统。
背景技术
能源和环境是当今社会的两个热门的话题，波浪能作为储量非常丰富的可再生绿色能源，与较容易利用且已有许多商业化产品的太阳能和风能相比，波浪能具有其特殊的优势。不仅能源分布广，而且平均能流密度远远大于太阳能和风能。因此对于波浪能的研究具有很好的开发前景和开发意义。
此前的海浪发电装置大多采用旋转发电机将海浪的机械能转换为电能输出，但是海浪运动作为一种直线运动，旋转电机要将直线运动转换成电机转子的旋转运动，中间必然需要增设转换装置，这也就导致转换效率比较低，而且像液压泵等装置还容易造成水体污染的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有海浪发电装置能量转换效率低下的不足，提供一种新型结构的直线电机直驱式海浪发电系统，用直线电机代替旋转电机，利用海浪的垂直运动直接带动电机动子上下切割，提高了能量的利用效率；能够使得四级能量转换过程简化为三级转换过程，提高能量利用效率；同时由于省略了液压泵等装置，还可保证发电系统清洁无污染。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种直线电机直驱海浪发电系统，该系统主要由机械能量提取模块、直线发电机组模块、电能后处理模块组成；其中，机械能量提取模块直接放置在近海岸的海浪中，并与直线发电机组模块相连，直线发电机组模块和电能后处理模块相连；所述机械能量提取模块通过提取海浪上下浮动的机械能转换成直线发电机组模块中动子铁芯上下运动的机械能；所述直线发电机组模块由动子铁芯上下运动导致电机内部磁链路径不断发生周期性变化，从而使得通过外定子铁芯上铜线圈的磁通量周期性变化，三相绕组中产生并输出近似正弦的频率和幅值不断变化的反电势波形；所述电能后处理模块将直线发电机组模块输出的电能通过整流、滤波、储能、逆变等环节进行处理后输出到近海岸地区用于供电或者将电能输送至电网。
进一步地，所述机械能量提取模块包括：浮筒、主动杆、第一从动杆、第二从动杆、第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链、套筒；浮筒与主动杆通过第一铰链铰接，浮筒可以绕着第一铰链转动；主动杆尾部与直线发电机组模块的发电机组底座通过第二铰链铰接，主动杆可以绕着第二铰链转动；第一从动杆一端通过第三铰链与主动杆中间部位铰接，另一端通过第五铰链与第二从动杆的一端铰接；第一从动杆可以绕着主动杆转动；套筒套在第一从动杆上，通过第四铰链铰接在直线发电机组模块的发电机组侧壁上，套筒既可沿着第一从动杆滑动，同时也可以绕着第四铰链转动；第二从动杆的另一端通过第六铰链与动子铁芯顶部铰接。
进一步地，直线发电机组模块中的电机为槽/极的圆筒型永磁开关磁链直线电机，由动子铁芯、外定子铁芯、铜线圈、内定子铁芯、永磁体、弹簧组成；动子铁芯仅由经过倒角后的铁芯构成，动子铁芯上端与第二从动杆通过第六铰链铰接，由第二从动杆带动其上下垂直运动，动子铁芯下端与弹簧相连，有效减少动子铁芯上下运动的能量损失；外定子铁芯的个槽内依次放置由铜线圈绕制而成的三相电枢绕组A1/B1/C1/A2/B2/C2，内定子铁芯中嵌入钕铁硼材料制成的永磁体。
进一步地，所述电能后处理模块包括：整流器组、直流变换器、蓄电池组及充放电电路、逆变器。整流器组包括若干组三相不控整流滤波单元，整流器组的输入端与直线发电机组模块的交流输出端一一相连；每个整流滤波单元的输出电压叠加后经直流变换器处理得到稳定的直流电压；直流变换器通过开关分别连接蓄电池组及充放电电路和逆变器；蓄电池组及充放电电路通过蓄电池放电电路与逆变器输入端相连。
本发明的有益效果是：采用新型结构的双定子永磁开关磁链直线电机，实现了海浪运动和发电机动子铁芯之间的直接驱动，省略了一级能量转换过程，从而将有效地提高海浪能源转换效率。圆筒型双定子永磁开关磁链直线电机具有构造简单、成本较低、维修方便、散热效果较好、无横向边端效应等等优点；机械结构方面，在浮筒和动子铁芯之间采用三根联杆连接的形式，不仅能够收集海浪各个方向运动的能量，而且能有效地减少动子铁芯和定子之间的摩擦损耗。这样一种框架结构的固定式海浪发电站将能够用于近海岸地区电能的直接供应，为缓解局部能源压力提供解决方案。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为机械能量提取模块示意图；
图3为圆筒型双定子永磁开关磁链直线电机结构示意图；
图4为直线电机磁链变化原理图；
图5为电能后处理模块示意图；
图6为发电机组模块结构示意图；
图中，机械能量提取模块1、直线发电机组模块2、电能后处理模块3、浮筒4、第一铰链5、第二铰链6、主动杆7、第三铰链8、第一从动杆9、套筒10、第四铰链11、第五铰链12、第二从动杆13、第六铰链14、弹簧15、动子铁芯16、外定子铁芯17、铜线圈18、内定子铁芯19、永磁体20、整流器组21、直流变换器22、蓄电池组及充放电电路23、逆变器24、发电机组侧壁25、发电机组底座26。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图、对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的表述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-5所示，本发明提出了一种直线电机直驱海浪发电系统，包括机械能量提取模块1、直线发电机组模块2、电能后处理模块3；所述机械能量提取模块1由浮筒4、第一铰链5、第二铰链6、主动杆7、第三铰链8、第一从动杆9、套筒10、第四铰链11、第五铰链12、第二从动杆13、第六铰链14组成；浮筒4与主动杆7通过第一铰链5铰接，浮筒4可以绕着第一铰链5转动；主动杆7尾部与直线发电机组模块2的发电机组底座26通过第二铰链6铰接，主动杆7可以绕着第二铰链6转动；第一从动杆9一端通过第三铰链8与主动杆7中间部位铰接，另一端通过第五铰链12与第二从动杆13铰接；第一从动杆9可以绕着主动杆7转动；套筒10套在第一从动杆9上，通过第四铰链11铰接在直线发电机组模块2的发电机组侧壁25上，套筒10既可沿着第一从动杆9滑动，同时也可以绕着第四铰链11转动；第二从动杆13的另一端通过第六铰链14与动子铁芯16顶部铰接；
所述直线发电机组模块2，其发电机组中的电机结构为6槽/5极的圆筒型双定子永磁开关磁链直线电机结构，由动子铁芯16、外定子铁芯17、铜线圈18、内定子铁芯19、永磁体20、弹簧15组成；动子铁芯16仅由经过倒角后的铁芯构成，动子铁芯16上端与所述机械能量提取模块1中的第二从动杆13通过铰链14铰接，由第二从动杆13带动其上下垂直运动，动子铁芯16下端与弹簧15相连，有效减少动子上下运动的能量损失；外定子铁芯17的6个槽内依次放置由铜线圈18绕制而成的三相电枢绕组A1/B1/C1/A2/B2/C2，内定子铁芯19中嵌入钕铁硼材料制成的永磁体20；
所述电能后处理模块3由整流器组21、直流变换器22、蓄电池组及充放电电路23、逆变器24组成；整流器组21包括若干组三相不控整流滤波单元，整流器组21的输入端与直线发电机组模块2的交流输出端一一相连；每个整流滤波单元的输出电压叠加后经直流变换器22处理得到稳定的直流电压；直流变换器22通过传输线、蓄电池充电电路与蓄电池组23相连，通过传输线与逆变器24输入端相连；蓄电池组23通过蓄电池放电电路与逆变器24输入端相连。
本发明的工作过程如下：
整体发电系统建造在靠近海岸的地方，海浪运动通过带动浮筒4浮动将海浪的机械能量输入到机械能量提取模块1中，浮筒4上下浮动带动通过第一铰链5与其相连的主动杆7，主动杆7通过第三铰链8带动第一从动杆9摆动，第一从动杆9与用第四铰链11固定在发电机组侧壁25的套筒10带动第二从动杆13运动，第二从动杆13通过第六铰链14带动发电机组动子铁芯16上下运动，从而将海浪的机械能转换成发电机组动子铁芯16上下运动的机械能；
动子铁芯16上端由第二从动杆13带动其上下垂直运动，下端与弹簧15相连，当动子铁芯16往下运动接触到发电机组底座26时，动子铁芯16底部安装的弹簧15可以有效减少动子上下运动的能量因碰撞摩擦而引起的损失；外定子铁芯17的6个槽内依次放置由铜线圈18绕制而成的三相电枢绕组A1/B1/C1/A2/B2/C2，内定子铁芯19中嵌入钕铁硼材料制成的永磁体20；如原理图4所示，随着电机动子铁芯16依次上下运动到位置a、b、c、d，电机内部永磁体20发出的磁链路径不断变化，从而使得通过铜线圈18中的磁通量由位置a时的正向最大，到位置b时磁通量为零，再到位置c时的反向最大，最后到位置d时再次为零，由此形成一个完整的变化周期，铜线圈18产生并输出三相近似正弦的频率和幅值不断变化的反电势波形；这种圆筒型双定子结构的直线电机不仅制造工艺简单、成本较低，而且也能很好地适应海浪低速运动的特点，输出较高的电压幅值。
由于海浪运动的速度不断变化，因此发电机组模块2输出的三相交流电的频率和幅值不断变化，因此电能后处理模块3即用于优化海浪直线发电机组2输出的不稳定交流电，提高电能利用率。整流器组21包括若干组三相不控整流滤波单元，整流滤波单元的数量与直线发电机数量一一对应，分别对发电机输出的三相交流电进行整流滤波处理；每个整流滤波单元的输出电压叠加后经直流变换器22处理得到稳定的、可利用的直流电压，所得的直流电一方面可通过蓄电池组23储能备用，另一方面可通过逆变器24直接转变为交流电供负载使用或并网输出。具体地，当发电机组产生的电能过剩时，直流变换器22输出的电能一部分用于负载供电，另一部分通过蓄电池组23储能；当发电机组产生的电能不足时，由蓄电池组23补充提供电能，用于直流负载供电或经逆变器24变换后用于交流负载供电或并网。

Claims (4)

1.一种直线电机直驱海浪发电系统，其特征在于，该系统主要由机械能量提取模块(1)、直线发电机组模块(2)、电能后处理模块(3)组成。其中，机械能量提取模块(1)直接放置在近海岸的海浪中，并与直线发电机组模块(2)相连，直线发电机组模块(2)和电能后处理模块(3)相连；所述机械能量提取模块(1)通过提取海浪上下浮动的机械能转换成直线发电机组模块(2)中动子铁芯(16)上下运动的机械能；所述直线发电机组模块(2)由动子铁芯(16)上下运动导致电机内部磁链路径不断发生周期性变化，从而使得通过外定子铁芯(17)上铜线圈(18)的磁通量周期性变化，三相绕组中产生并输出近似正弦的频率和幅值不断变化的反电势波形；所述电能后处理模块3将直线发电机组模块(2)输出的电能通过整流、滤波、储能、逆变等环节进行处理后输出到近海岸地区用于供电或者将电能输送至电网。
2.根据权利要求1所述的一种直线电机直驱海浪发电系统，其特征在于，所述机械能量提取模块(1)包括：浮筒(4)、主动杆(7)、第一从动杆(9)、第二从动杆(13)、第一铰链(5)、第二铰链(6)、第三铰链(8)、第四铰链(11)、第五铰链(12)、第六铰链(14)、套筒(10)等。浮筒(4)与主动杆(7)通过第一铰链(5)铰接，浮筒(4)可以绕着第一铰链(5)转动。主动杆(7)尾部与直线发电机组模块(2)的发电机组底座(26)通过第二铰链(6)铰接，主动杆(7)可以绕着第二铰链(6)转动；第一从动杆(9)一端通过第三铰链(8)与主动杆(7)中间部位铰接，另一端通过第五铰链(12)与第二从动杆(13)的一端铰接；第一从动杆(9)可以绕着主动杆(7)转动；套筒(10)套在第一从动杆(9)上，通过第四铰链(11)铰接在直线发电机组模块(2)的发电机组侧壁(25)上，套筒(10)既可沿着第一从动杆(9)滑动，同时也可以绕着第四铰链(11)转动；第二从动杆(13)的另一端通过第六铰链(14)与动子铁芯(16)顶部铰接。
3.根据权利要求2所述的一种直线电机直驱海浪发电系统，其特征在于，直线发电机组模块(2)中的电机为6槽/5极的圆筒型永磁开关磁链直线电机，由动子铁芯(16)、外定子铁芯(17)、铜线圈(18)、内定子铁芯(19)、永磁体(20)、弹簧(15)组成；动子铁芯(16)仅由经过倒角后的铁芯构成，动子铁芯(16)上端与第二从动杆(13)通过第六铰链(14)铰接，由第二从动杆(13)带动其上下垂直运动，动子铁芯(16)下端与弹簧(15)相连，有效减少动子铁芯(16)上下运动的能量损失；外定子铁芯(17)的6个槽内依次放置由铜线圈(18)绕制而成的三相电枢绕组A1/B1/C1/A2/B2/C2，内定子铁芯(19)中嵌入钕铁硼材料制成的永磁体(20)。
4.根据权利要求1所述的一种直线电机直驱海浪发电系统，其特征在于，所述电能后处理模块(3)包括：整流器组(21)、直流变换器(22)、蓄电池组及充放电电路(23)、逆变器(24)。整流器组(21)包括若干组三相不控整流滤波单元，整流器组(21)的输入端与直线发电机组模块(2)的交流输出端一一相连；每个整流滤波单元的输出电压叠加后经直流变换器(22)处理得到稳定的直流电压；直流变换器(22)通过开关分别连接蓄电池组及充放电电路(23)和逆变器(24)；蓄电池组及充放电电路(23)通过蓄电池放电电路与逆变器(24)输入端相连。
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